电磁斥力机构仿真与试验对比研究

姜 楠，曾晶晶，杨晨光，彭振东



电磁斥力机构仿真与试验对比研究

姜 楠，曾晶晶，杨晨光，彭振东

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

电磁斥力机构因其特有优势成为了研究的热点，本文简单介绍了其工作原理，然后进行了有限元仿真，并生产样机进行了试验验证。从仿真与试验的对比分析中，可以看出，电磁斥力机构具有约300 μs的机械延时，将仿真结果在时间维添加机械延时的修正后，仿真结果的准确性得到极大的提高。

电磁斥力机构 机械延时

0 引言

随着电力系统规模的不断扩大，其短路电流已达到甚至超过断路器的开断能力，故障限流器在系统正常时呈现低阻抗，对系统几乎无影响，在短路故障时，迅速表现为高阻抗，限制短路电流，因此，成为了研究的热点。

一种混合式故障限流器，其关键设备之一为快速分闸开关（以下简称快速开关），该快速开关的快速性是限流器限流水平的决定因素之一，此外，还要求快速开关具有极小的动作分散性。

快速开关的动作特性由其操动机构决定，传统的操动机构如弹簧、液压、气动操动机构由于结构复杂、传动部件多，其触动时间为毫秒级且具有较大的分散性，无法满足快速开关的要求。电磁斥力机构结构简单、传动部件少，其触动时间为百微秒级，动作分散性为十微秒级，可以满足快速开关的要求。

1 电磁斥力机构原理[1,2]

电磁斥力机构的基本结构原理如图1所示，它主要有励磁线圈、斥力盘、传动轴和外电路组成。

当接到操作命令时，预充电的储能电容向励磁线圈放电持续几毫秒，在励磁线圈周围产生轴向和切向的磁场。磁场的轴向分量通过磁链金属斥力盘在其中感应出方向与励磁电流相反的涡流；磁场切向分量与金属斥力盘中的感应涡流相互作用产生电磁斥力，推动斥力盘运动，并带动传动轴加速运动。此操作机构可以与真空灭弧室直接相连，减少了传动机构的零部件数量，可以提高产品的结构刚性，有助于减小触头弹跳，提高刚分、刚合速度，减小分、合闸时间，同时由于零部件数量少，结构简单，动作分散性降低，开关机械系统可靠性大大提高。

2 有限元仿真[3]

电磁斥力机构虽然结构简单，但是其动作过程涉及电磁场、涡流场、力场以及运动场的多物理场深度耦合，其各场的关系如图2所示。因此快速准确地计算其动作过程具有一定的难度。目前，关于其计算方法主要分为路的方法和场的方法。路的方法计算速度较快，但是精度相对较低，且结构复杂时难以计算；场的方法计算速度相对较慢，但精度相对较高，且有成熟的商业软件。本文采用商业有限元仿真软件Ansoft Maxwell对电磁斥力机构的运动过程进行仿真分析。

本文中，电磁斥力机构励磁线圈采用紫铜扁平带缠绕，斥力盘采用某型铝合金制成中间厚边缘薄的圆盘，其结构如图3所示。放电外电路如图4所示，由脉冲电容C、晶闸管组件T和续流二极管组件D等组成。

机构的结构及电气参数如表1所示。

在Ansoft Maxwell中，建立机构的瞬态电磁场模型，如图5所示，其外电路及相关参数如图6所示。相关前处理设置完毕后，进行仿真计算，得到线圈的电流曲线和斥力盘位移曲线，如图7所示。

3 试验验证及分析

为了验证仿真结果，设计生产了原理样机，并进行了试验。电磁斥力机构动作速度快，常规的测量设备难以满足要求，在缺少合适的测量设备的情况下，设计了一种测试电路，该测试电路可以测量机构的触动时间以及一定开距的时间，测试原理图如图8所示。试验波形如图9所示，从图中可以看出，线圈电流峰值约为5 kA，机构触动时间为340 μs，3.5 mm行程时间为1.3 ms。试验数据与仿真数据对比可知，机构触动具有一定的时延，用该时延对仿真结果进行修正后，基本与试验结果吻合，证明仿真结果具有设计参考性。

4 总结

电磁斥力机构因其独特的优势而具有可观的应用前景，在商业有限元软件Ansoft中建立了电磁斥力机构的有限元模型，进行了仿真分析，并对样机进行了试验，测得了样机的触动时间与3.5mm行程时间。根据试验结果修正后的仿真结果具有较高的准确性，具备工程指导意义。

[1] Toshie Takeuchi，Kenichi Koyama，Mitsuru Tsukima．Electromagnetic analysis coupled with motion for high-speed circuit breakers of Eddy current repulsion using the tableau approach[J]．Electrical Engineering in Japan，2005，152(4)：8-16．

[2] Holaus W，Frohlich K. Ultra-fast switches- a new element for medium voltage fault current limiting switchgear[J]. Power Engineering Society Winter Meeting，2002, 1(27): 299-304.

[3] 刘国强，赵凌忠，蒋继娅．Ansoft工程电磁场有限元分析[M]．北京：电子工业出版社，2005．

Research on Electromagnetic Repulsion Mechanism by Simulink and Examination

Jiang Nan, Zeng Jingjing, Yang Chenguang, Peng Zhendong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

the electromagnetic repulsion mechanism is the focus of research. In this paper, the principle is introduced, the finite element simulate is performed, and the sample is manufactured and experimented. It is found in the analysis of the simulation and the experimentation that the electromagnetic repulsion mechanism has about 300 microsecond machine time delay and the precision of the simulation can be improved by modifying the simulation results with the machine delay.

electromagnetic repulsion mechanism; machine time delay

TM153

A

1003-4862（2015）03-0006-02

2014-09-01

姜楠(1988-), 男，硕士。研究方向：开关电器。